Sources d`électrons

H. Monard - LAL
Ecole Accélérateur IN2P3
Sept. 2009
Les Sources d’électrons
Plan de l’exposé
• Rappels
• Processus émissions,
cathodes et canons
• Nouvelles sources
• conclusions
A la recherche de la source idéale
Qu’est-ce qu’un électron ?
•
E = mc²
Une particule chargée (1897)
q = -1.602 x 10-19 C
m = 9.01 x 10-31 kg Eo = 0.511 MeV*
Masse très faible !!
• Sensible au champ électrique E et magnétique B F = q (E + v ^ B)
accélération
rotation
Rapidement relativiste
et trajectoires hélicoïdales
Paramètres relativistes
β = v/c** vaut rapidement ~ 1
γ = E/Eo + 1 ~ E/Eo ~ 2 E Energie en MeV
*1 eV = énergie d’un électron sous une ddp de 1 V
**c = 3 x 108 m/s
Exemple : E = 2 MeV
γ = 2/0.5 + 1 = 5
β = 1-1/γ² = 0.9797
v = 2.94 x 108 m/s
Où se trouvent les électrons ?
•
•
Matière = atomes = noyau
(protons+neutrons) + électrons
Les électrons sont liés au noyau par
interaction EM et sont placés sur
certaines orbites (énergies
particulières discrètes)
modèle planétaire en physique classique
- A
X
Z
+
Z = nbre de protons (+)
nbre d’électrons (-)
N = A – Z = nbre de neutrons
10-10 m
(modèle classique)
•
Matière solide = ensemble d’atomes
conducteur = électrons de valence
mis en commun et réseau d’ions
•
Il faut perturber la matière pour lui
ôter ses électrons
Statistique de Fermi-Dirac
Densité électrons ~ 1023 cm3
Comment fait-on un
faisceau d’électrons ?
Principe du canon
cathode
Émission d’électrons + accélération avec E
énergie faisceau du keV au MeV
anode
E
Faisceau = ensemble d’électrons
répulsion coulombienne
faisceau
Émission électrons
Quatre principes physiques d’émission
Qualités recherchées
•
•
•
•
Faisceau Intense : courant élevé
Industrie
Cathode robuste : longue durée de vie
Faisceau Brillant
1/émittance
Recherche
Durée impulsion courte
-
-
Processus d’émission
A partir de la matière stable :
•Si on chauffe suffisamment
émission THERMO-IONIQUE
•Si on éclaire suffisamment
émission PHOTOELECTIQUE
•Si on applique un fort champ électrique émission DE CHAMP
•Si on envois une autre particule
émission SECONDAIRE
•
autres : émissions ferroélectrique, plasma, …
e-
particule
laser
e-
THERMO-IONIQUE
PHOTOELECTRIQUE
E
e-
DE CHAMP
e-
SECONDAIRE
Plusieurs processus peuvent avoir lieu en même temps
Si la matière est instable naturellement : radioactivité β18
9F
Æ
18
O
8
+ e- + ν
T = 110 min
<E> = 0.25 MeV
A
ZX
A
Æ Z-1 Y + e- + ν
Spectre en énergie de l’électron et continu
Temps émission 30 s à 30 ans
e-
Emission Thermoionique
Loi de Richardson (1902)
Js = A T² e
-W/(kT)
Pour augmenter Js : T
Js : densité de courant
[A/cm²]
A ~ constante ~ 120
[A/cm²/K²]
T : température
[K]
k : constante de Boltzmann [eV/K]
W : travail de sortie
[eV]
W
Matériau avec Tfusion élevée et W faible : corps pur n’existe pas !
En pratique : matrice en matériau réfractaire + élément chimique qui rend
W plus faible (activation)
En unité pratique :
Js ~ 120 T² e
-11600 W/T
T [K], W [eV]
Exemples : pour Tungsten pur T = 2000 K, W = 4.5 eV Js ~ 0.005 A/cm²
Tungsten W+Th T = 2000 K, W = 3.2 eV Js ~ 4 A/cm²
e-
Cathodes Thermoioniques
Cs = 1.94 eV
W= 4.53
BaO=1.57
LaB6=2.66
Diminution de W et
de T°K de travail
Durée de vie augmentée
e-
Cathodes Thermoioniques
Composé
ThO2
Matrice Température
(K)
W2C
2200
Travail
Sortie (eV)
2.7
W2C fritté
BaO + SrO
10000
(3-4 ans)
W
1400
2.0
Dispenser L
50000
(15 ans TV)
(Ba0,Ca0)3+Al2O3 W
1300
2.0
W imprégnié
LaB6
Durée
Vie (h)
50000
(klystron)
Ta
1700
2.8
1000
Température de travail pas trop élevée : dégazage, dégradation
Bonne durée de vie > 10000 h
Si vide est mauvais P > 10-5 mbar : cathode métallique
e-
Canons Thermoioniques
Principe du canon
Child-Langmuir
cathode
anode
E
I = P V3/2
faisceau
V : 10 à 1000 kV
Cathode
I : courant [A]
V : tension [V]
P : pervéance [A/V3/2]
P=géométrie
anode
faisceau
Les cathodes sont généralement sphériques
Canons géométrie de Pierce
Le plus d’applications industrie + recherche
Robustesse + durée de vie
e-
Canons Thermoioniques
Schéma klystron
Canon électrons écran TV
1 cm
Cathode I ~ mA
3 faisceaux
I ~ 100 A
Masque à fentes
Luminophores
e-
Canons Thermoioniques
Densité de courant maximale (A/cm²)
1000
Tubes HF
Forte puissance
100
10
1
Tubes HF
Faible puissance
accélérateurs
0.1
0.01
0.001
-10
10
10
-9
10
-8
10
-7
10
Pervéance
-6
10
-5
10
-4
10
-3
laser
e-
Emission Photoélectrique
Principe photoémission : interaction photon-électron
- Utilisation d’un laser (grand flux de photons)
- effet à seuil : longueur d’onde minimale
surface
Photon
- Photoémission est instantanée
W
ε [eV]
ε>W
1240
ε [eV]
800 nm = 1.55 eV
532 nm = 2.33 eV
266 nm = 4.66 eV
conducteur
Modèle à trois étapes
Loi de Fowler-Dubridge
Js = A T² I (1-R) F(x)
Pour augmenter Js : T
λ [nm] =
I
R
Effet photoélectrique thermo-assisté
Effet photoélectrique : Einstein 1905, Fowler 1931
Js : densité de courant
[A/cm²]
A ~ constante
[A/W/K²]
T : température
[K]
R : coefficent de réflexion
I : éclairement
[W/cm²]
F(x) : fonction de Fowler
laser
e-
Cathodes Photoélectriques
Ne
Rendement photoélectrique η =
Nph
Q [C]
Métaux : - mauvais rendement << 1%
+ bonne résistance
Semi-conducteur : + rendement ~ qlq %
- sensibilité vide
Matériau
Cu
Mg
Ta
K2CsSb
Cs2Te
266 nm
2.2 x10-6
5.0 x10-5
3.0 x10-5
10.0 x 10-2
8.0 x 10-2
355 nm
532 nm
E [J]
Conducteur : W travail de sortie
ou semi-conducteur : AE+BI
Photocathode Cs2Te - ELYSE
Cu
8 x10-9
16 x 10-2
3 x 10-2
Te = 20 nm
Cs = 16 nm
laser
e-
Cathodes Photoélectriques
Rendement Cs2Te
102
620
407
longueur d'onde (nm)
310
248
207
177
155
138
124
Rendement chute
à l’utilisation :
- Pollution
- bombardement
101
rendement (%)
100
10-1
Durée de vie :
mois… année
10-2
R.A. Powell et al., Photoemission Studies of Cesium-Telluride ,
Phys. Rev. B, 8 (8) 1973
10-3
10-4
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
énergie photon (eV)
7,0
8,0
9,0
10,0
Dépend de l’utilisation
laser
Cathodes Photoélectriques
e-
Pollution de Cs2Te par différents gaz
1,2
CO, N2, CH4
1
rendement relatif
CO2
0,8
0,6
0,4
O2
0,2
0
0
10
20
30
Langmuir = 1,6 x10-8 torr/min
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Langmuir (L)
F. Sabary et al., Auger and X-ray photoemission study
on Cs2Te photocathodes, J. Appl. Phys. 80 (5) 1996
130
laser
e-
Cathodes Photoélectriques
20 juin 2005
Durée de vie Cs2Te n°I
18 mars 2003
8
24
9 MeV
Elaser
7
20
16
5
4
12
3
8
2
4
1
diamètre laser = 5 mm
0
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
temps H.F. cumulé (jours)
ELYSE – Laboratoire Chimie Physique, Orsay
40
44
48
52
Energie laser (µJ)
Charge V0 (nC).
6
laser
Canons Photoélectriques
canon HF
e-
Principe canon HF
R.F.
cathode
Coupe canon HF 2.5 cellules
Laser
cathode
faisceau électrons
E
cuivre
Onde E.M. stationnaire (F = 3 GHz)
Avantages :
Impulsion laser courte : faisceau électrons courts (ps)
Faible dispersion énergie < 1%
Possibilité électrons polarisés (AsGa)
10 cm
Design par simulation
Photo-injecteurs
laser
Canons Photoélectriques
e-
mauvaise phase
Optimisation énergie sortie
Canon 2.5 cellules
E(z,t) = Eo cos(kz) sin(ωt+φ)
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,0
-0,1 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
-0,2
Ezmax = 80 MV/m
-0,3
-0,4
-0,5
1,2
-0,6
1,1
-0,7
1,0
-0,8
0,9
Enveloppe Ez
0,8
Ez vu par électron
-0,9
-1,0
2.7 MeV
bonne phase
E/Esortie
0,7
0,6
-1,1
0,5
-1,2
0,4
z/λ (cm)
0,3
Champ E décélérateur
0,2
0,1
Ez
Ez
0,1
0,0
-0,1 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
-0,2
énergie
enveloppe Ez
E vu par électron
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
-0,8
-0,9
-1,0
E/Esortie
Enveloppe Ez
5.6 MeV
Ez vu par électron
-1,1
-1,2
z/λ (cm)
1,4
1,5
E
e-
Emission de Champ
Application d’un champ électrique intense ( E > 1 GV/m) pertube la matière :
électrons peuvent sortir de la matière (effet tunnel)
W3/2
(k2
)
E²
E
Js = k1
e
W
Pour augmenter Js : E
W
Js : densité de courant
k1, k2 ~ constante
E : champ électrique
W : travail de sortie
[A/cm²]
[V/m]
[eV]
Matériau avec W faible : meilleur photoémetteur = meilleur émission de champ
Augmenter E : effet de pointe renforcement du champ électrique local
E ~ βE
β 10 à 100
E ~ 1 GV/m : Effet Schottky W = W - dW
Thermoémission et Thermoémission de champ
E
e-
Cathodes émission de champ
Ta
Cathode à réseau de pointes
Haute intensité, fragilité
Difficulté fabrication cathode + coût
Microscopie électronique
écrans plats
particule
e-
Emission secondaire
Emission d’électrons par une surface soumise au bombardement d’une particule
Interaction faisceau-matière
électrons primaires
Taux d’émission
électrons rétrodiffusés
Photons X
électrons secondaires
δ=
Nep
Nes
électrons Auger
chaleur
Diffusion inélastique
Diffusion élastique
Sans interaction
δ= f(Ep, matériau)
δ ~ 0.1 à 10
particule
e-
Emission secondaire
δ
Énergie des secondaires
III
Pt
1.5
I
Au
1.0
II
Mo
Al
0.5
Cs
I : primaires
II : primaire rétrodiffusés
III : secondaires
Li
0
0.5
1.0
1.5
énergie électrons primaires (MeV)
2.0
particule
e-
Emission secondaire
Secondary Emission Magnetron Injection Gun (SEMIG)
solenoïde
anode
anode
I ~ 40 A
cathode
150 mm
Pièces du canon
particule
e-
Emission secondaire
δ ~100 Ep = 2.2 keV
Diamant (30 µm)
Laser
électrons
primaires
électrons
secondaire
a
Photocathode
(K2CsSb)
3 – 10 kV
J. Smedley et al. Brookhaven
Nouvelles sources d’électrons
Limitation du gradient accélérateur dans les cavités
Accélérateur de plus en plus grands (recherche)
Utilisation des plasmas (milieu ionisé) [1980 et 1990]
Source plasma : focalisation d’un laser puissance crête TW (durée fs) !
+ énorme gradient accélérateur ~ GV/m
100 MeV en 1 mm
+ durée impulsion ultra-courte ~ 10 fs
- maîtrise dispersion énergétique
- faible charge
- fiabilité
Nanotubes de carbones : 1 -10 nm diamètre, longueur ~ µm
Facteur β énorme ~ 1000 , champ E appliqué plus faible
Conclusions
Qualités recherchées
•
•
•
•
Faisceau Intense : courant élevé
Industrie
Cathode robuste : longue durée de vie
Faisceau Brillant
Recherche
Durée impulsion courte
Sources électrons les plus utilisées : canons thermoioniques
Quantité applications des faisceaux d’électrons, industrie et recherche
Accélérateurs électrons industriels
Gamme énergie
Basse
Moyenne
Haute
Haute
Energies
10 à 300 keV
300 keV à 1 MeV
0.1 MeV à 10 MeV
1 à 16 MeV
Courant
10 à 2000 mA
25 à 300 mA
10 à 500 mA
Puissance
1 à 100 kW
5 à 300 kW
5 à 700 kW
Prix
0.5 à 2 M$
0.5 à 2 M$
1 à 8 M$
0.3 à 2 M$
Applications
Soudure métaux,
découpage,
percage,
vaporisation …
Traitement des
polymères, des
plastiques, isolant
pour câbles, du
caoutchouc des
pneus, des
plastiques, ….
Traitement de surface,
des polymères,
des eaux usées,
irradiation,
stérilisation pour
le médical et la
nourriture, …
Contrôle non destructif
par rayons X
(sécurité)
Taille marché
150 M$ + 8%
100 M$ + 10%
70 M$ + 80%
Technique accélération
HT externe
Cockroft-Walton, Dynamitron, Linacs RF,
Rhodotron
Linacs
Rev. Of Acc. Sci. &Tech, 2008, vol 1, 163-184, R. W. Hamm
Applications industrielles
Faisceau sous vide
Faisceau dans l ’air
Traitement des effluents gazeux
Radiolyse
500
Fusion des métaux
Polymérisation
100
Amorphisation
Superposition
de couches
Traitement des
couches
50
Stérilisation
désinfection
Irradiation
alimentaire
Durcissement
des métaux
0
0.05
0.1
Durcissement
des métaux
Usinage
0.5
1
ENERGIE (MeV)
5
Balayé
PUISSANCE (kW)
Focalisé
1000
10